高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用研究

　第４７卷第１１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰１１　　２０１９年１１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏｖ.２０１９　移动扫码阅读付玉凯ꎬ鞠文君ꎬ吴拥政ꎬ等.高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(１１):６８－７５􀆰ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰１１􀆰００８ＦＵＹｕｋａｉꎬＪＵＷｅｎｊｕｎꎬＷＵＹｏｎｇｚｈｅｎｇꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｂｕｍｐｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｒｏｃｋｂｏｌｔ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(１１):６８－７５􀆰ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰１１􀆰００８高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用研究付玉凯１ꎬ２ꎬ３ꎬ鞠文君１ꎬ２ꎬ３ꎬ吴拥政１ꎬ２ꎬ３ꎬ何　杰１ꎬ２ꎬ３ꎬ焦建康１ꎬ２ꎬ３(１.天地科技股份有限公司开采设计事业部ꎬ北京　１０００１３ꎻ２.煤炭科学研究总院开采研究分院ꎬ北京　１０００１３ꎻ３.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室ꎬ北京　１０００１３)摘　要:为解决深部冲击地压巷道围岩冲击破坏难题ꎬ分析了冲击载荷下冲击地压巷道围岩破坏特征ꎬ揭示出冲击地压对支护结构破坏的本质是冲击载荷劣化锚杆杆体力学性能、撕裂护表金属网及降低锚固系统锚固性能ꎮ针对冲击地压巷道围岩失稳破坏机理ꎬ研发了６００ＭＰａ级高冲击韧性强力锚杆ꎬ高冲击韧性锚杆破断强度达到８５０ＭＰａꎬ吸能能力和瞬时延伸率分别是普通锚杆的１.３２倍和１.３３倍ꎮ高韧性锚杆通过提高支护系统的强度、吸能特性使支护结构与围岩协调变形吸能减冲ꎬ大幅度提高支护系统抗冲击性能ꎬ通过支护系统吸收冲击地压释放的能量ꎬ降低剩余能量对巷道围岩的破坏效应ꎮ研究成果在义马矿区常村矿进行了井下试验ꎬ高冲击韧性锚杆支护系统经受多次大能量冲击载荷后ꎬ锚杆和锚索受力呈现锯齿状波动特征ꎬ支护结构有效控制了冲击地压巷道的变形破坏ꎮ关键词:高冲击韧性锚杆ꎻ冲击地压ꎻ巷道支护ꎻ吸能减冲原理中图分类号:ＴＤ３５３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)１１－００６８－０８ＳｔｕｄｙｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｂｕｍｐｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｒｏｃｋｂｏｌｔＦＵＹｕｋａｉ１ꎬ２ꎬ３ꎬＪＵＷｅｎｊｕｎ１ꎬ２ꎬ３ꎬＷＵＹｏｎｇｚｈｅｎｇ１ꎬ２ꎬ３ꎬＨＥＪｉｅ１ꎬ２ꎬ３ꎬＪＩＡＯＪｉａｎｋａｎｇ１ꎬ２ꎬ３(１.ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎｉｎｇＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙｉｎＣｈａｎｇｃｕｎＭｉｎｅｏｆＹｉｍａＭｉｎｉｎｇＡｒｅａꎬｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｆａｉｌ￣ｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｕｎｄｅｒｂｕｍｐｌｏａｄｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｉｔｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｓｓｅｎｃｅｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｄａｍａｇｅｔｏｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｔｈａｔｂｕｍｐｌｏａｄｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｎｃｈｏｒｒｏｄꎬｔｅａｒｓｔｈｅｍｅｔａｌｍｅｓｈａｎｄｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅａｎｃｈｏｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅａｎｃｈｏ￣ｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ.Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｎｒｏｃｋｂｕｒｓｔｒｏａｄｗａｙꎬｔｈｅ６００ＭＰａｈｉｇｈｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｂｏｌｔｓｗｅｒｅｄｅ￣ｖｅｌｏｐｅｄꎬｔｈｅｂｒｅａｋｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｂｏｌｔｒｅａｃｈｅｄ８５０ＭＰａꎬａｎｄｉｔｓｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｅ￣ｌｏｎｇａｔｉｏｎｗｅｒｅ１.３２ａｎｄ１.３３ｔｉｍｅｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｂｏｌｔｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｔｈｅｈｉｇｈ－ｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｃｈｏｒｂｏｌｔｃａｎａｂｓｏｒｂｉｍｐａｃｔｅｎｅｒ￣ｇｙｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍ.Ｔｈｉｓｃａｎｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔ￣ａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬａｎｄａｂｓｏｒｂｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｅｄｂｙｔｈｅｉｍｐａｃｔｇｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄａｍａｇｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｅｎｅｒｇｙｏｎｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ.ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｔｅｓｔｅｄｉｎＣｈａｎｇｃｕｎＭｉｎｅｏｆＹｉｍａＭｉｎｉｎｇＡｒｅａ.Ａｆｔｅｒｔｈｅｈｉｇｈｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｂｏｌｔｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｍｕｌｔｉｐｌｅｌａｒｇｅｅｎｅｒｇｙｉｍｐａｃｔｌｏａｄｓꎬｔｈｅｂｏｌｔｓａｎｄａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅｓａｒｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｚｉｇｚａｇｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓꎬａｎｄｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙｕｎｄｅｒｉｍｐａｃｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｒｏｃｋｂｏｌｔꎻｒｏｃｋｂｕｒｓｔꎻｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔꎻｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｂｕｍｐｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ收稿日期:２０１９－０５－２５ꎻ责任编辑:杨正凯基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１８０４１５９)ꎻ国家重点研发计划资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４２０５)ꎻ中煤科工科技创新面上基金资助项目(２０１８ＭＳ０２１)作者简介:付玉凯(１９８５—)ꎬ男ꎬ河南安阳人ꎬ助理研究员ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]８６付玉凯等:高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用研究２０１９年第１１期０　引　　言冲击地压作为深部煤矿开采过程中常遇到的典型煤岩动力灾害ꎬ其发生的强度和频次显著增加ꎮ而且冲击地压(矿震)还有可能诱发诸多次生灾害ꎬ如煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸以及突水等ꎮ统计发现ꎬ由于８５％的冲击地压发生在回采巷道中ꎬ因此ꎬ冲击地压巷道控制技术作为实现巷道防冲的重要手段之一ꎬ越来越受到国内外学者的关注[１－４]ꎮ目前国内外对冲击地压巷道防控技术的研究主要集中“卸压”和“支护”２个方面ꎮ在卸压方面ꎬ潘俊锋等[５]针对开采过程中的局部解危问题ꎬ提出了以“卸”为主ꎬ以“支”为辅ꎬ“卸”“支”耦合的理论与技术体系ꎻ窦林名等[６]提出了冲击地压强度弱化减冲理论ꎬ通过卸压降低煤岩体弹性能至最小临界值ꎬ控制冲击地压的发生ꎻ齐庆新等[７]提出以单位应力梯度为表征的冲击地压应力控制理论ꎬ并采用超前深孔顶板预裂爆破来控制冲击地压ꎮ除了卸压手段外ꎬ加强巷道支护也是防控冲击地压灾害的有效手段之一ꎬ姜耀东等[８]采用环形可收缩支架来控制巷道冲击地压ꎻ何满潮等[９－１１]采用横阻变形锚杆吸收冲击地压产生的能量ꎬ通过吸能减冲减弱冲击载荷对巷道的破坏作用ꎻ潘一山等[１２－１３]提出了围岩－吸能材料－钢支架支护系统ꎬ通过转移围岩应力ꎬ均化围岩应力场和位移场ꎬ提高了冲击地压巷道的抗冲击能力ꎮ付玉凯[１４]ꎬ林健等[１５]ꎬ吴拥政等[１６－１９]研究了冲击韧性对锚杆在静载荷、动载荷下力学性能的影响ꎬ揭示了普通锚杆脆性破断机理和韧性锚杆抗冲击性能ꎬ提出锚网索与支架联合支护方案来控制冲击地压巷道ꎻ吴拥政等[２０]针对深部复杂困难巷道ꎬ研发了高预应力钢棒支护技术ꎬ有效解决了深部复杂困难巷道强烈变形难题ꎮ上述研究成果对冲击地压防控提供了重要的技术措施和手段ꎬ主要集中在卸压、吸能支架及普通锚杆等角度ꎬ而对高强、高冲击韧性锚杆的力学特性及应用相对较少ꎬ笔者鉴于高冲击韧性锚杆优越的吸能特性ꎬ联合安阳龙腾特钢有限公司ꎬ研发了高强、高韧性锚杆ꎬ锚杆屈服强度达到６００ＭＰａꎬ破断强度达到８５０ＭＰａꎬ通过对高冲击韧性锚杆的力学性能试验ꎬ揭示高冲击韧性锚杆的吸能机理ꎬ并选择典型矿井进行井下试验ꎬ探索适合冲击地压巷道的高冲击韧性锚杆防控技术ꎮ１　冲击地压巷道围岩变形破坏特征１.１　巷道支护方式常村矿主采煤层为２－３煤ꎬ工作面巷道沿煤层布置ꎬ留底煤掘进ꎬ底煤厚度０.５ｍꎬ断面为拱形ꎬ支护方式为锚网、Ｕ型棚及单体柱等复合支护ꎬ锚网支护为一级支护ꎬ巷帮采用右旋全螺纹钢锚杆ꎬ顶板采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆ꎬ锚杆间距７００ｍｍꎬ排距７００ｍｍꎬ转矩２００Ｎ􀅰ｍꎻ顶板布置３根锚索ꎬ间排距１５００ｍｍ×１５００ｍｍꎬ预紧力１００ｋＮꎻ二级支护为３６Ｕ型棚ꎬ棚距７００ｍｍꎬＵ型棚与围岩保持５００ｍｍ的让压距ꎻ三级支护为单体柱或抬棚ꎬ抬棚排距１４００ｍｍꎬ额定工作阻力１１００ｋＮꎮ１.２　巷道破坏特征义马矿区所属煤矿均为冲击地压矿井ꎬ不同煤矿冲击地压显现强度略有差异ꎬ对义马矿区不同煤矿的巷道冲击破坏程度进行统计分析ꎬ从巷道破坏的统计结果来看ꎬ冲击地压巷道破坏有以下５个特征:１)巷道易出现瞬时变形ꎮ与普通巷道变形特征显著不同ꎬ冲击地压巷道受到冲击载荷作用时ꎬ冲击载荷使围岩产生瞬时大变形ꎬ围岩在几毫秒的时间内变形量达０.５~１.０ｍꎮ２)巷道底板变形严重ꎮ与巷道顶板和两帮相比ꎬ底板通常不采取支护ꎬ且底板留有底煤ꎬ致使底板成为巷道全断面中的弱区ꎬ再加上底板易发生冲击载荷ꎬ受到冲击载荷影响后ꎬ底板变形非常严重ꎮ３)巷道变形情况与冲击载荷能量相关ꎮ受到冲击载荷作用时ꎬ巷道表层浅部围岩与喷层会被弹射ꎬ若冲击能量较大(超过１０５Ｊ)ꎬ围岩会产生瞬时变形或局部坍塌式破坏ꎮ４)未受到冲击载荷前ꎬ巷道会产生持续变形ꎮ巷道埋深大、围岩强度低ꎬ巷道开掘后即使未受到冲击载荷ꎬ围岩也会出现持续变形ꎬ变形量通常能达到冲击瞬时变形的数倍ꎮ５)支护方式不合理ꎮ受到冲击载荷作用时ꎬ普通锚杆支护的巷道易出现支护失效ꎬ主要表现为锚杆破断、锚杆锚固段滑脱、金属网撕裂等ꎬ主要是由于冲击载荷易破断普通锚杆和金属网ꎬ普通锚杆和金属网抵抗冲击能力较差ꎮ１.３　锚杆(索)支护系统失效特征１)锚杆杆体力学性能劣化ꎮ课题组成员吴拥政等[１８]现场选取了冲击地压发生后和未使用的同类型锚杆进行了力学参数测试ꎬ测试结果发现:受冲击地压影响后的锚杆应力－应变曲线与常规锚杆明９６２０１９年第１１期煤炭科学技术第４７卷显不同ꎬ受冲击锚杆应力－应变曲线不存在流幅阶段ꎬ弹性变形后直接进入应力强化ꎬ导致延伸率降低ꎬ延伸率降低１３％左右ꎬ比例极限增高１３％ꎬ破断强度降低６.６％ꎬ冲击作用后锚杆冲击吸收功由８２.３Ｊ降为６２.０Ｊꎬ降幅达２４.３％ꎮ由测试结果可以看出ꎬ锚杆支护材料受到冲击载荷后ꎬ其力学性能显著降低ꎬ由于冲击地压巷道中锚杆等支护材料频繁受到冲击载荷的作用ꎬ当锚杆支护材料力学性能降低至某一